Газообмен между водородной плазмой с примесью кислорода и поверхностью нержавеющей стали

Нержавеющая сталь является основным конструкционным материалом вакуумных установок и во многих современных термоядерных установках применяется в качестве обращенного к плазме материала. Взаимодействие потока частиц и излучения из плазмы с поверхностью нержавеющей стали, покрытой оксидным слоем, приводит к десорбции кислородосодержащих молекул, которые попадают в плазму и диссоциируют. В результате, в плазме оказывается большое количество кислорода, что приводит к увеличению радиационных потерь из плазмы. Это вызывает необходимость увеличить мощность нагрева плазмы и может привести к ее срыву на стенку вакуумной камеры. Другим отрицательным явлением в токамаках, обусловленным присутствием в плазме кислорода, является интенсивное распыление графитовых конструкционных элементов. Распыление графитов атомами кислорода приводит к образованию летучих оксида и диоксида углерода, которые, попадая в плазму, диссоциируют. «Освободившиеся» атомы кислорода снова могут вступать во взаимодействие с углеродными материалами камеры, а атомы углерода увеличивают радиационные потери плазмы и осаждаются по всей поверхности вакуумной камеры, являясь при этом аккумулятором изотопов водорода.

Другая не решенная до сих пор проблема связана с накоплением изотопов водорода в конструкционных материалах вакуумной камеры токамака. Десорбция захваченных изотопов водорода со стенок камеры в плазму в процессе разряда затрудняет контроль над экспериментом. Накопление 700 г трития в камере ИТЭР, что соответствует предельно допустимой дозе радиации, может произойти через несколько сотен плазменных разрядов.

Для уменьшения десорбции примесей в плазму перед рабочими разрядами проводится процедура очистки контактирующих с плазмой материалов (КПМ) и внутренних элементов вакуумной камеры, называемая кондиционированием. Кондиционирование может проводиться с помощью нескольких основных методов: тлеющего разрядавспомогательных омических разрядов, сопровождающихся облучением поверхности КПМ компонентами плазмыосаждением на КПМ специальных защитных покрытий (карбонизация, боронизация, литизация).

Параметры таких разрядов, обычно, подбираются опытным путем исходя из имеющихся технических возможностей токамака. При этом для эффективной очистки от кислорода различных областей вакуумной камеры может требоваться кондиционирование с разными параметрами, выбор которых должен делаться исходя из состояния поверхности в кондиционируемой области. Общие закономерности и механизмы удаления кислорода с поверхности в таких разрядах практически не изучены, что приводит к трудностям в выборе оптимального типа и параметров кондиционирующего разряда.

Типичными газами, вносящими существенный вклад в остаточное давление высоковакуумных установок, являются пары воды, оксид и диоксид углерода, водород и углеводороды. Эти газы имеют разное время жизни т на поверхности, которое экспоненциально зависит от температуры поверхности Т. При равной температуре поверхности т разных частиц на поверхности значительно различаются. Пары воды и тяжелые углеводороды являются наиболее трудно откачиваемыми газами со временами жизни ~ 1 с при комнатной температуре поверхности. Также существенную проблему при откачке вакуумных установок может представлять СО. Это связано с тем, что атомы углерода обычно присутствуют на поверхности материалов в составе различных углеводородов и углерод входит в состав большинства конструкционных сталей. Атомы кислорода содержатся в оксидном слое на поверхности сталей, поэтому формирование и последующая десорбция СО является одним из вероятных процессов, определяющих остаточный вакуум.

Во многих современных токамаках, имеющих углеродосодержащие КПМ, оксид углерода является основным примесным газом, десорбирующимся в плазму. В этом случае, для подавления эмиссии СО в плазму требуется: во-первых, достичь как можно более низкой концентрации кислородосодержащих молекул (Н20, О2) и, во-вторых, уменьшить, по возможности, количество перенапыленных углеродных слоев и (или) обезгаживать их перед рабочим плазменным разрядом. Удаление и обезгаживание переосажденных слоев является одной из целей кондиционирования КПМ токамаков.

Наиболее простой и распространенный способ кондиционирования вакуумных установок представляет собой тлеющий плазменный разряд, когда камера токамака является катодом или она помещается под отрицательный потенциал. Тип и параметры кондиционирующего плазменного разряда выбираются в зависимости от цели кондиционирования и природы загрязнений поверхности.

Основные цели и задачи работы.

Основной целью проведенной работы являлось экспериментальное изучение закономерностей и механизмов захвата кислорода и изотопов водорода в нержавеющую сталь при облучении в плазме, а также исследование методов удаления захваченного кислорода из нержавеющей стали путем облучения в дейтериевой или гелиевой плазме.

Для достижения этой цели были сформулированы следующие задачи исследований:

1. Создать установку, позволяющую осуществлять насыщение водородом и кислородом образцов из нержавеющей стали в различных условиях, включая экспозицию в газе, облучение атомарным потоком, облучение в плазме газового разряда и последующий термодесорбционный анализ без выноса образцов на атмосферу.

2. Определить закономерности и механизмы захвата кислорода и дейтерия в нержавеющую сталь в перечисленных выше условиях.

3. Определить закономерности и предложить методику удаления кислорода из нержавеющей стали путем ее облучения в дейтериевой или гелиевой плазме.

Выносимые на защиту результаты.

1. Облучение атомами и ионами водорода или электронами нержавеющей стали, находящейся в водородно-кислородной газовой смеси или в водородной плазме с примесью кислорода инициирует протекание на её поверхности следующих процессов:

• ассоциацию взаимодействующих с нержавеющей сталью молекул кислорода с сорбированными атомами и молекулами водорода и образование молекул воды, покидающих поверхность.

• проникновение и захват атомов водорода и кислорода в нержавеющую сталь по потенциальному механизму.

2. Закономерности захвата и удаления кислорода из нержавеющей стали, заключающиеся в следующем:

• Проникновение и захват кислорода в нержавеющую сталь при облучении в водородной плазме с примесью кислорода происходит на глубину торможения ионов водорода.

• Проникновение и захват кислорода в нержавеющую сталь сопровождается оксидированием обогащенного хромом поверхностного слоя, приобретающего барьерные свойства и препятствующего проникновению кислорода в глубину нержавеющей стали.

• При распылении барьерного слоя при Т<400 К для его разрушения достаточно распылить поверхность на глубину, сравнимую с толщиной оксидированного поверхностного слоя, при этом становится возможной проникновение кислорода остаточного газа в глубину нержавеющей стали.

• При распылении при большей температуре (-600 К) для разрушения барьерных свойств поверхности требуется удаление более толстого слоя.

Научная и практическая значимость работы.

Научная значимость работы определяется тем, что результаты работы развивают и систематизируют представления о захвате кислорода и изотопов водорода в нержавеющую сталь. А именно: определён источник и механизм захвата кислорода в нержавеющую сталь, облучаемую в водородной плазме с примесью кислорода. Найден основной параметр, определяющий захват кислорода, которым является концентрация кислорода в поверхностном насыщенном слое хрома и формирование тем самым барьерного слоя, препятствующего проникновению кислорода в глубину стали. Обнаружены закономерности удаления кислорода из нержавеющей стали при облучении ее в водородной или гелиевой плазме, которые показывают, что максимальное удаление кислорода достигается сразу после распыления насыщенного кислородом поверхностного слоя.

Практическая значимость работы определяется тем, что в ней разработаны физические основы метода удаления кислорода (кондиционирования) из выполненных из нержавеющей стали элементов первой стенки токамаков.

5.5 Выводы.

Показано, что при облучении нержавеющей стали в дейтериевой плазме с примесью кислорода на её поверхности образуется обогащённый хромом оксидный барьерный слой, аккумулирующий внедряющиеся атомы кислорода и препятствующий их проникновению в толщу образца. Толщина барьерного слоя примерно совпадает с глубиной торможения ионов кислорода.

Обогащённый хромом слой начинает терять свои барьерные свойства при распылении его поверхностной, предположительно, наиболее сильно оксидированной части (толщиной примерно 1 нм, если слой создавался облучением ионами плазмы с энергией 100 эВ/ат, и 2−3 нм, при облучении ионами с энергией 100 эВ/ат). Кислород начинает распространяться и накапливаться за барьерным слоем в области, по-видимому, обеднённой хромом при его сегрегации к поверхности. После её распыления степень оксидирования поверхности возрастает, а глубина проникновения атомов кислорода падает, что говорит о формировании нового, но менее плотного барьерного слоя.

При повышенных температурах (до 600 К) барьерный слой теряет свои свойства после распыления большей своей части, чем при 400 К. Уровень захвата кислорода при его внедрении в обедненный хромом слой оказывается больше при повышенных температурах вследствие более быстрой диффузии.

При удалении кислорода облучением образца ионами гелия общая зависимость количества кислорода в образце от дозы облучения не отличается от описанной выше. Барьерный слой теряет свои свойства при распылении слоя той же толщины, как и при распылении ионами дейтерия, что говорит о кинетической природе механизма удаления кислорода.

Захваченный в процессе насыщения образца кислородом дейтерий эффективно удаляется при облучении в гелиевой плазме. Дейтерий практически полностью удаляется из образца после распыления около 10 нм поверхности.

Заключение

.

1. Проведены эксперименты по насыщению водородом и кислородом образцов из нержавеющей стали в различных условиях, включая: экспозицию в смеси Т>2+2% 02, облучение атомарным потоком, облучение в плазме газового разряда на смеси Б2+2% 02. Определены закономерности и механизмы захвата кислорода и дейтерия в нержавеющую сталь в перечисленных выше условиях. Предложены рекомендации по методике удаления кислорода из нержавеющей стали путем ее облучения в дейтериевой или гелиевой плазме.

2. Показано, что атомы дейтерия, появляющиеся в газовой смеси Б2+2% 02, активируют реакцию кислорода с атомами изотопов водорода на поверхности элементов вакуумной камеры, выполненных из нержавеющей стали, в том числе с атомами водорода, выходящими из объема нержавеющей стали. В результате большая (до 90%) часть кислорода ассоциируется в молекулы Н20, Б20, ШХ). Высказано предположение о цепном характере этих процессов. При этом: активируется десорбция водорода из стали, ускоряется процесс захвата дейтерия в сталь, количество изотопов водорода в целом в стали увеличивается, ускоряется процесс захвата кислорода в сталь.

3. При облучении нержавеющей стали атомами ионами и/или электронами плазмы захват кислорода и изотопов водорода во всём исследованном диапазоне энергий ионов (20−500 эВ/ат) и концентраций кислорода в рабочем газе (0−5%) происходит в основном по потенциальному механизму из сорбированного слоя молекул воды.

4. Внедряющиеся атомы кислорода аккумулируются в обогащённом хромом оксидном барьерном слое, препятствующем их проникновению в толщу образца. Толщина барьерного слоя примерно совпадает с глубиной торможения ионов дейтерия.

5. Обогащённый хромом слой начинает терять свои барьерные свойства при распылении его поверхностной, предположительно, наиболее сильно оксидированной части (толщиной примерно 1 нм, если слой создавался облучением ионами плазмы с энергией 100 эВ/ат, и 2−3 нм, при облучении ионами с энергией 400 эВ/ат). Кислород начинает распространяться и накапливаться за барьерным слоем в области, по-видимому, обеднённой хромом при его сегрегации к поверхности. После её распыления степень оксидирования поверхности возрастает, а глубина проникновения атомов кислорода падает, что говорит о формировании нового, но менее плотного барьерного слоя.

6. При удалении кислорода облучением образца ионами гелия общая зависимость количества кислорода в образце от дозы облучения не отличается от описанной выше. Барьерный слой теряет свои свойства при распылении слоя той же толщины, как и при распылении ионами дейтерия, что говорит о кинетической природе механизма удаления кислорода.

7. Захват водорода в нержавеющей стали при энергиях облучения <100 эВ происходит в основном в пределах поверхностного оксидного слоя и распространяется за его пределы при больших энергиях облучающих ионов. При этом растущий по мере облучения оксидный слой тормозит проникновение дейтерия в глубину. Насыщение водородом не.

20 2 23 2 достигается при захвате 4×10 ат/м (доза облучения 1,5×10 ат/м). По мере разрушения барьерного слоя захват водорода продолжается.

8. При повышенных температурах (до 600 К) барьерный слой теряет свои свойства после распыления большей своей части, чем при 400 К. Уровень захвата кислорода при его внедрении в обедненный хромом слой оказывается больше при повышенных температурах вследствие более быстрой диффузии.

9. Захваченный в процессе насыщения образца кислородом дейтерий эффективно удаляется при облучении в гелиевой плазме. Дейтерий практически полностью удаляется из образца после распыления около 10 нм поверхности.

Ю.Разработаны рекомендации по процедуре удаления кислорода в дейтериевом или гелиевом разрядах. Показано, что максимальное удаление кислорода из нержавеющей стали достигается при распылении поверхностного слоя, насыщенного кислородом, на глубину, сравнимую с глубиной торможения ионов дейтерия. Температура поверхности должна быть повышена вплоть до 600 К, а парциальное давление паров воды в процессе распыления должно быть как можно меньше.

Список публикаций, в которых отображены основные результаты работы.

1. Осаждение двухкомпонентных металлических слоев в плазме при высоких температурах, Беграмбеков Л. Б., Гордеев А. А, Садовский Я. А., Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 5, Май 2008, С. 109−112.

2. Захват и удержание кислорода и дейтерия в углеграфитовом композите при облучении в дейтериевой плазме с примесью кислорода, Айрапетов A.A., Беграмбеков Л. Б., Вергазов C.B., Захаров A.M., Кузьмин A.A., Садовский Я. А., Шигин П. А., Вопросы атомной науки и техники. Серия: Термоядерный синтез. 2009. № 3. С. 25−29.

3. Удаление кислорода из углеграфитового композита и нержавеющей стали в дейтериевом тлеющем разряде, Беграмбеков Л. Б., Айрапетов A.A., Вергазов C.B., Кузьмин A.A., Шигин П. А., Садовский Я. А., Вопросы атомной науки и техники. Серия: Термоядерный синтез. 2010. № 3. С. 29−34.

4. Glow discharge cleaning of carbon fiber composite and stainless steel, Journal of Nuclear Materials 415 (2011) S1042-S1045, A. Airapetov, L. Begrambekov, S. Bremond, D. Douai, A. Kuzmin, Ya. Sadovsky, P. Shigin, S. Vergasov.